基于建筑信息模型技術(shù)的城市軌道交通站后工程設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)用研究*

段軍朝 賈銳奇

(1. 中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司， 430061， 武漢； 2. 中建三局軌道交通公司， 430061, 武漢； 3. 中建三局集團(tuán)有限公司， 430064， 武漢; 4. 中建三局安裝工程有限公司， 430064， 武漢∥第一作者， 高級(jí)工程師)

城市軌道交通站后工程一般指除車(chē)站、區(qū)間、停車(chē)場(chǎng)和車(chē)輛段等土建工程以外的施工內(nèi)容總稱(chēng)。站后工程主要包括軌道、通信、供電、綜合監(jiān)控以及常規(guī)水電風(fēng)等十幾個(gè)專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)，具有施工工期緊、作業(yè)空間狹小、管線錯(cuò)綜復(fù)雜、系統(tǒng)間接口數(shù)量大、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)工作量大等特點(diǎn)。站后工程機(jī)電管線的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)施工質(zhì)量、系統(tǒng)調(diào)試和試運(yùn)行有著至關(guān)重要的影響，其施工質(zhì)量直接影響列車(chē)的行車(chē)安全。因此，采用BIM(建筑信息模型)技術(shù)對(duì)城市軌道交通站后工程施工圖設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)解決站后工程建設(shè)過(guò)程中的多專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)困難、施工環(huán)境復(fù)雜多變、建設(shè)信息不流通等問(wèn)題而言尤為重要。同時(shí)，BIM技術(shù)的實(shí)施可有效采集、加工、協(xié)同和存儲(chǔ)項(xiàng)目信息，對(duì)項(xiàng)目的規(guī)劃、建造和成本進(jìn)行整體把控，可提高施工組織、技術(shù)創(chuàng)新、施工圖設(shè)計(jì)及施工管理水平，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的“ 設(shè)計(jì)安全、建設(shè)安全、運(yùn)營(yíng)安全”[1]。本文依托成都軌道交通6號(hào)線三期工程，對(duì)BIM技術(shù)在站后工程設(shè)計(jì)優(yōu)化中的應(yīng)用做了具體研究分析，以期為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

成都軌道交通6號(hào)線三期工程全長(zhǎng)23 km，均為地下敷設(shè)，設(shè)車(chē)站18座(含換乘站9座)、停車(chē)場(chǎng)1座。該線列車(chē)為8節(jié)編組A型車(chē)，線路等級(jí)速度為80 km/h，設(shè)計(jì)的最小行車(chē)間隔為2 min。

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化體系建設(shè)

2.1 設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，往往只是根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范和建筑功能需求對(duì)本專(zhuān)業(yè)的整體狀況和系統(tǒng)組成進(jìn)行說(shuō)明性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)圖較為粗放，錯(cuò)漏碰缺和不明確、不細(xì)致之處較多[2]。而城市軌道交通工程的設(shè)計(jì)過(guò)程中，建設(shè)單位會(huì)多次組織運(yùn)營(yíng)、設(shè)計(jì)、施工及供貨商等單位共同參加設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)，明確擬使用材料和設(shè)備的具體品牌、型號(hào)、規(guī)格等技術(shù)參數(shù)，并對(duì)材料樣品、設(shè)備樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試和檢查。驗(yàn)證合格后，設(shè)計(jì)人員需將施工時(shí)所安裝的設(shè)備、材料的主要信息繪制于設(shè)計(jì)圖中，方可出具施工圖，從而導(dǎo)致各專(zhuān)業(yè)施工圖的設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)。

2.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化體系

在設(shè)計(jì)優(yōu)化體系建設(shè)中，應(yīng)以設(shè)計(jì)信息的協(xié)同與交互為主。建設(shè)單位統(tǒng)籌建立設(shè)計(jì)優(yōu)化體系；設(shè)計(jì)監(jiān)理單位、設(shè)計(jì)總體院、總承包管理單位制定標(biāo)準(zhǔn)、建立審查機(jī)制、參與設(shè)計(jì)管理，并提供技術(shù)支持；各工點(diǎn)設(shè)計(jì)院和各標(biāo)段施工單位進(jìn)行具體模型的創(chuàng)建和優(yōu)化，出具施工圖紙，落實(shí)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作。

2.3 模型標(biāo)準(zhǔn)

模型標(biāo)準(zhǔn)需規(guī)定模型中實(shí)體構(gòu)件的幾何元素和非幾何信息的分類(lèi)和命名規(guī)則，專(zhuān)業(yè)工作集拆分原則，模型的深度、精確度和完整度，文件大小、整合要求及交付標(biāo)準(zhǔn)等[3]。如表1為風(fēng)管及其附件的部分實(shí)體幾何構(gòu)件的命名規(guī)則，表2對(duì)給排水系統(tǒng)部分管道類(lèi)型的非幾何信息進(jìn)行了明確。統(tǒng)一構(gòu)建信息分類(lèi)和命名規(guī)則便于各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員間的協(xié)同和數(shù)據(jù)分析。

表1 風(fēng)管及其附件部分實(shí)體幾何構(gòu)件的命名規(guī)則

表2 給排水系統(tǒng)部分管道類(lèi)型的非幾何信息命名規(guī)則

3 施工圖設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 設(shè)計(jì)信息交互

根據(jù)初步設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)備基本信息數(shù)據(jù)，可在Revit軟件中建立結(jié)構(gòu)、建筑及機(jī)電等各系統(tǒng)的BIM模型。利用Navisworks軟件對(duì)項(xiàng)目模型信息進(jìn)行整合后輕量化輸出，各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員查看設(shè)計(jì)效果，審查初步設(shè)計(jì)中的矛盾與錯(cuò)誤。如圖1所示，車(chē)站結(jié)構(gòu)風(fēng)道設(shè)計(jì)在制冷機(jī)房的頂部，使得局部區(qū)域安裝空間不足，風(fēng)管存在較大翻彎，風(fēng)阻變大。通過(guò)綜合模型的可視化分析，設(shè)計(jì)人員及時(shí)修改了機(jī)電設(shè)計(jì)方案，確保系統(tǒng)負(fù)荷滿(mǎn)足要求。

圖1 結(jié)構(gòu)風(fēng)道與空調(diào)風(fēng)管設(shè)計(jì)沖突

3.2 綜合建模排布

利用Revit軟件建立各個(gè)專(zhuān)業(yè)的初步設(shè)計(jì)圖紙模型。為了保證系統(tǒng)的完整性，模型信息精度等級(jí)須達(dá)到LOD(精度標(biāo)準(zhǔn))300[4]。表3為水泵模型按不同的精度等級(jí)逐步完善的信息列表。

表3 水泵模型的信息精度等級(jí)表

在完善模型信息后，按照區(qū)域凈空要求，充分考慮施工組織、支吊架設(shè)計(jì)、檢修操作所需空間，整體規(guī)劃?rùn)C(jī)電管線的排布。車(chē)站站廳層設(shè)備區(qū)走廊綜合管線排布效果如圖2所示。未確定具體尺寸的設(shè)備和部件可按設(shè)計(jì)最優(yōu)原則初步預(yù)留安裝空間。

圖2 車(chē)站站廳層設(shè)備區(qū)走廊綜合管線排布圖

3.3 碰撞檢測(cè)分析

碰撞檢查后的施工圖調(diào)整如果缺乏各專(zhuān)業(yè)之間的協(xié)調(diào)溝通、同步調(diào)整，則會(huì)產(chǎn)生新的碰撞位置，導(dǎo)致設(shè)計(jì)效率低下[5]。首先應(yīng)進(jìn)行機(jī)電各專(zhuān)業(yè)與建筑結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)的碰撞檢查，這個(gè)過(guò)程可能會(huì)出現(xiàn)誤判。人為進(jìn)行碰撞點(diǎn)篩選后，根據(jù)碰撞檢測(cè)報(bào)告結(jié)果對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行機(jī)電管線調(diào)整。根據(jù)文獻(xiàn)[6]對(duì)車(chē)站中碰撞點(diǎn)所屬專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，其中,通風(fēng)空調(diào)專(zhuān)業(yè)中的風(fēng)管是比較容易產(chǎn)生碰撞的點(diǎn)，對(duì)該系統(tǒng)相關(guān)的碰撞調(diào)整是設(shè)計(jì)優(yōu)化的重點(diǎn)工作。

3.4 設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)分析

按照城市軌道交通項(xiàng)目機(jī)電設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)的同時(shí)，采用漫游的形式進(jìn)行內(nèi)部構(gòu)件信息排布檢查，利用Fuzor軟件與Revit軟件雙向?qū)崟r(shí)同步對(duì)模型進(jìn)行修改[7]。在協(xié)同模式下，在Revit中修改風(fēng)機(jī)的屬性信息，可在Fuzor中同步更改，從而可以采用可視化方式分析設(shè)備的合理性。在設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行模型的二次優(yōu)化，確保在設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工等不同階段模型信息的一致性，提高設(shè)計(jì)效率。

3.5 精細(xì)化調(diào)整

在綜合管線完成后，需對(duì)局部管線進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整及系統(tǒng)整體復(fù)核計(jì)算，在原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)上對(duì)管線尺寸進(jìn)行優(yōu)化，在特殊區(qū)域進(jìn)行非標(biāo)構(gòu)件接駁布置，以充分考慮運(yùn)營(yíng)階段的維保需求。如圖3所示，風(fēng)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制線接駁位置與控制線路橋架位置相對(duì)應(yīng)，多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置于同側(cè)；如圖4所示，多根并排消防水平管道上的閥門(mén)應(yīng)錯(cuò)位安裝。

圖3 風(fēng)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制線路位置示意圖

圖4 閥門(mén)錯(cuò)位安裝

3.6 支吊架優(yōu)化

根據(jù)綜合管線圖紙導(dǎo)出需要設(shè)置支吊架的剖面，用支吊架受力分析軟件進(jìn)行支吊架的設(shè)計(jì)排布、材料選型、應(yīng)力計(jì)算和承載力驗(yàn)算。如圖5所示，某抗震支架的直角雙面桿件采用41/2.5/K槽鋼、21D/2.0/K雙拼槽鋼和62/2.5/K槽鋼，連接件采用直角雙面連接件。支座采用21-72槽鋼底座，分別在混凝土表面固定，支架間距為2 m。在設(shè)計(jì)載荷下，模擬分析得到各單元的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力如圖6所示，支架設(shè)計(jì)選型及優(yōu)化滿(mǎn)足荷載要求。

圖5 抗震支架示意圖

a) 拉應(yīng)力(單位：MPa)

b) 壓應(yīng)力(單位：MPa)

3.7 設(shè)計(jì)優(yōu)化出圖

在各職能部門(mén)的審批過(guò)程中，因不同部門(mén)對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化圖紙資料的需求不同，缺乏統(tǒng)一交付標(biāo)準(zhǔn)[8]。此外，國(guó)內(nèi)各家設(shè)計(jì)院的出圖標(biāo)準(zhǔn)均有所不同，導(dǎo)致設(shè)計(jì)單位與施工單位的設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果無(wú)法協(xié)同輸出。而依據(jù)統(tǒng)一的出圖標(biāo)準(zhǔn)，在模型中對(duì)各圖層的屬性進(jìn)行規(guī)定，精細(xì)化調(diào)整優(yōu)化后的施工圖可直接出圖,如圖7為車(chē)站站廳層空調(diào)大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化圖，完成后的模型可直接將該圖導(dǎo)出。在施工生產(chǎn)中，利用該優(yōu)化模型，根據(jù)需求可生成任意位置的平、剖面圖用于指導(dǎo)施工，既可減少二維圖紙重復(fù)繪制，還可提高設(shè)計(jì)效率[9]。

圖7 車(chē)站站廳層空調(diào)大系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化圖

4 結(jié)語(yǔ)

1) 基于BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化可大幅度縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)的效率，節(jié)約設(shè)計(jì)成本，為城市軌道交通工程的協(xié)同設(shè)計(jì)提供有力支撐。

2) 基于BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化是對(duì)傳統(tǒng)施工圖設(shè)計(jì)的持續(xù)改進(jìn)。利用模型信息共享和協(xié)同優(yōu)化，可提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率，有效解決設(shè)計(jì)錯(cuò)漏和不精細(xì)等問(wèn)題，是工程精細(xì)化管理的依據(jù)，可實(shí)現(xiàn)建造品質(zhì)的提升。